空間甚低頻太陽(yáng)射電Ⅲ型爆研究進(jìn)展

譚寶林，譚程明，黃 靜，陳林杰

（1. 中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家天文臺(tái) 太陽(yáng)活動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 天文學(xué)與空間科學(xué)學(xué)院，北京 100047）

引 言

太陽(yáng)爆發(fā)包括耀斑（solar flare）、日冕物質(zhì)拋射（Coronal Mass Ejection，CME）、爆發(fā)日珥等。它們是發(fā)生在整個(gè)太陽(yáng)系中最為猛烈的爆發(fā)過程[1-3]。例如，一次典型的X級(jí)太陽(yáng)耀斑爆發(fā)，能夠在大約10 min內(nèi)釋放出1025J的能量（作為對(duì)比，一枚100萬(wàn)t TNT當(dāng)量的氫彈爆炸所釋放的能量大約為1016J，也就是說(shuō)，一次X級(jí)耀斑所釋放的能量相當(dāng)于10億顆百萬(wàn)t當(dāng)量的氫彈在10 min內(nèi)同時(shí)爆炸）。太陽(yáng)爆發(fā)釋放的物質(zhì)和能量主要通過下列3種載體對(duì)行星際空間和近地空間環(huán)境產(chǎn)生劇烈擾動(dòng)（有時(shí)也稱之為3波攻擊方式）[4-6]：

1）增強(qiáng)的電磁波輻射。在太陽(yáng)爆發(fā)期間，可以看見太陽(yáng)光球表面和色球在可見光波段的快速增亮，全日面輻射流量可增加5%～10%；在紫外（UltraViolet，UV）和極紫外（Extreme UltraViolet，EUV）波段增亮比可見光波段還要明顯，全日面輻射流量約增加20～50%；在軟X射線和射電波段的輻射流量則可增加幾十倍到幾十萬(wàn)倍。電磁輻射以光速進(jìn)行傳播，大約需要8 min就能從太陽(yáng)爆發(fā)源區(qū)傳播到近地空間。

2）非熱高能粒子流發(fā)射。太陽(yáng)爆發(fā)過程會(huì)加速產(chǎn)生大量非熱高能粒子，一次典型的太陽(yáng)耀斑爆發(fā)過程會(huì)釋放的非熱電子大約可達(dá)1031個(gè)/s，并伴有幾乎全波段的電磁波輻射增強(qiáng)。這些非熱高能粒子大約以0.1～0.9c（c為光速）的速度在行星際空間高速飛行，大約需要幾十min～2 h就可以達(dá)到近地空間。高能粒子流在日冕和行星際空間的高速飛行將產(chǎn)生具有高速頻率漂移的射電Ⅲ型爆[7-8]。

3）拋出高速磁化熱等離子體流。包括各種尺度的重聯(lián)噴流（Jet）和CME等。一次典型的CME活動(dòng)所拋射出的磁化熱等離子體大約為100億t！這些拋射的磁化熱等離子體團(tuán)以大約500～2 000 km/s的速度在行星際空間高速運(yùn)動(dòng)，大約需要1～3 d時(shí)間即可達(dá)到近地空間并產(chǎn)生劇烈擾動(dòng)。磁化熱等離子體流在日冕和行星際空間高度運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)形成激波，并產(chǎn)生具有緩慢頻率漂移的射電II型爆[9-11]。

在上述3種太陽(yáng)爆發(fā)的能量載體中，非熱高能粒子流發(fā)射是對(duì)空間安全，尤其是大量空間飛行器、空間載人飛行以及深空探測(cè)構(gòu)成嚴(yán)重危害的一種高能載體，能產(chǎn)生災(zāi)害性的空間天氣事件（space weather events）。如何監(jiān)測(cè)和預(yù)警由太陽(yáng)高能粒子流觸發(fā)的災(zāi)害性空間天氣事件是擺在太陽(yáng)物理學(xué)家和空間物理學(xué)家們面前的一項(xiàng)重大課題。

非熱高能粒子流在日冕和行星際空間高速飛行時(shí)，將在背景等離子體中激發(fā)Lang-muir波，該Lang-muir波與等離子體中的其它波模耦合產(chǎn)生相干等離子體輻射，從觀測(cè)特征上則表現(xiàn)為具有快速頻率漂移的射電Ⅲ型爆。因此，射電Ⅲ型爆是日冕和行星際空間非熱高能粒子流的示蹤[12]。通過對(duì)射電Ⅲ型爆的探測(cè)和追蹤，可以研究高能粒子流的產(chǎn)生、傳播和演變。太陽(yáng)非熱高能粒子流在太陽(yáng)爆發(fā)的源區(qū)（在色球頂部到低日冕附近）時(shí)產(chǎn)生的Ⅲ型爆的頻率通常在厘米?分米波段（頻率大約為300 MHz～3 GHz）；當(dāng)它們剛離開爆發(fā)源區(qū)在初始傳播區(qū)域附近時(shí)（位置在距離太陽(yáng)光球表面以上0.2～3倍太陽(yáng)半徑），產(chǎn)生的射電Ⅲ型爆的輻射頻率則一般在米波?10米波波段（頻率約30～300 MHz）[13-14]。上述頻段的射電Ⅲ型爆基本上不受地球大氣層中的風(fēng)云雨雪，包括電離層擾動(dòng)等因素的影響，可以暢通無(wú)阻地到達(dá)地面，因此均可從地面太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡中直接探測(cè)。但是，當(dāng)非熱高能粒子流飛離太陽(yáng)表面以上大約3倍太陽(yáng)半徑的行星際空間后，它們與背景等離子體相互作用所產(chǎn)生的射電爆發(fā)的輻射頻率將低于30 MHz。在這個(gè)頻段，由于地球電離層等離子體的散射和吸收效應(yīng)非常顯著，使得該頻段來(lái)自太陽(yáng)的任何電磁波輻射都完全被屏蔽了，無(wú)法有效到達(dá)地面望遠(yuǎn)鏡被觀測(cè)到。因此，只能將望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到地球電離層以外的外太空或月球基地才能對(duì)該頻段的射電爆發(fā)進(jìn)行探測(cè)。也正因?yàn)槿绱?，通常將頻率低于30 MHz的射電波段稱為空間甚低頻（Space Very Low Frequency，SVLF）。事實(shí)上，在接近SVLF波段附近，比如30～80 MHz頻段，雖然來(lái)自于太陽(yáng)及外太空其它天體源的電磁波信號(hào)能夠穿透地球大氣層到達(dá)地面望遠(yuǎn)鏡，但是，由于地球大氣雷電和各種人工信號(hào)的干擾，在地面望遠(yuǎn)鏡的探測(cè)也越來(lái)越難以將外太空天體的輻射信號(hào)同這些干擾信號(hào)區(qū)分開來(lái)，因此，人們也傾向于在空間對(duì)該頻段進(jìn)行觀測(cè)，從而獲取干凈可靠的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

近年來(lái)，隨著我國(guó)一系列空間計(jì)劃，包括探月計(jì)劃的逐步實(shí)施，已經(jīng)逐步具備條件將射電探測(cè)器發(fā)射到空間、月球背面、甚至更遠(yuǎn)的深空去探測(cè)太陽(yáng)射電爆發(fā)的信號(hào)，獲取可靠的、非常干凈的觀測(cè)數(shù)據(jù)。本文重點(diǎn)討論與太陽(yáng)非熱高能粒子流有密切關(guān)系的射電Ⅲ型爆在低頻至空間甚低頻段的觀測(cè)和研究進(jìn)展。其中，第1節(jié)主要介紹國(guó)際上現(xiàn)有的低頻和空間甚低頻段太陽(yáng)射電Ⅲ型爆的主要觀測(cè)設(shè)備及其特點(diǎn)；第2節(jié)重點(diǎn)總結(jié)目前國(guó)際上在太陽(yáng)射電Ⅲ型爆的觀測(cè)和研究方面所取得的主要進(jìn)展；第3節(jié)討論在太陽(yáng)射電Ⅲ型爆的觀測(cè)和研究方面存在的主要問題；第4節(jié)為結(jié)論。

1 低頻和空間甚低頻段太陽(yáng)射電Ⅲ型爆的主要探測(cè)設(shè)備

現(xiàn)有探測(cè)實(shí)驗(yàn)表明，即使將射電探測(cè)器發(fā)射到距地面36 000 km的地球同步軌道上，仍然能收到很強(qiáng)的來(lái)自地面人工信號(hào)和地球大氣閃電信號(hào)的干擾。人們?cè)?jīng)通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在月球背面的探測(cè)所受到的干擾遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在月球正面的探測(cè)。因此，要觀測(cè)空間甚低頻段的射電輻射信息，只有把望遠(yuǎn)鏡發(fā)射到遠(yuǎn)離地球電離層以上的外太空去進(jìn)行觀測(cè)，比如在月球背面、遠(yuǎn)離地球的日地拉格朗日點(diǎn)、甚至更遠(yuǎn)的深空，以盡可能減少來(lái)自地面人工信號(hào)和地球大氣中雷電信號(hào)等的干擾。

國(guó)際上進(jìn)行空間甚低頻射電爆發(fā)的觀測(cè)開始于20世紀(jì)70年代。人們先后利用一系列空間探測(cè)器開展了太陽(yáng)射電Ⅲ型爆的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，其中包括RAE[15]、IMP-6[16]、Mars-3[17]、Voyager、ISEE 3[18-19]、Ulysses[20]等。上述設(shè)備在太陽(yáng)射電Ⅲ型爆的研究方面僅有零星的觀測(cè)活動(dòng)，并且先后停止了工作。目前國(guó)際上在軌運(yùn)行的可用于系統(tǒng)探測(cè)低頻和空間甚低頻太陽(yáng)射電Ⅲ型爆的設(shè)備主要有兩個(gè)：一個(gè)是WIND衛(wèi)星所攜帶的射電波和等離子體波探測(cè)器組合WIND/WAVES，另一個(gè)是日地關(guān)系天文臺(tái)（Solar TErrestrial RElations Observatory，STEREO）所攜帶的低頻射電頻譜儀SWAVES。

1）WIND/WAVES

WIND衛(wèi)星是美國(guó)1994年11月1日發(fā)射的一顆太陽(yáng)、行星際及地球磁場(chǎng)探測(cè)衛(wèi)星，在完成對(duì)地球磁層的一系列探測(cè)任務(wù)之后，于2004年5月成功定位于距離地球約150萬(wàn)km的日地第一拉格朗日點(diǎn)（L1）附近，工作至今。根據(jù)其所攜帶的燃料估計(jì)，該衛(wèi)星還能繼續(xù)運(yùn)行50年，即有可能一直工作到2070年左右。

WIND衛(wèi)星所攜帶的射電波和等離子體波探測(cè)器WIND/WAVES由3組互相垂直的偶極子天線構(gòu)成，其中一組天線沿衛(wèi)星的自轉(zhuǎn)軸，即Ex軸，長(zhǎng)度為100 m，另外兩個(gè)軸分別為Ey軸長(zhǎng)度為15 m，Ez軸長(zhǎng)度為12 m。各天線的長(zhǎng)度還可以根據(jù)需要分別調(diào)整為41.1 m、3.79 m和2.17 m。射電波接收機(jī)分4個(gè)頻段進(jìn)行觀測(cè)：

（1）低頻FFT接收機(jī)（Low frequency Fast Fourier Transform receiver，Low-FFT）：觀測(cè)頻率為0.3～11 kHz。

（2）熱噪聲接收機(jī)（Thermal Noise Receiver，TNR）：觀測(cè)頻率為4～256 kHz，分16或32個(gè)頻道，帶寬按對(duì)數(shù)分布，介于0.4～6.4 kHz之間。

（3）射電接收機(jī)RAD1：觀測(cè)頻率為20～1 040 kHz。

（4）射電接收機(jī)RAD2：觀測(cè)頻率為1.075～13.825 MHz。

其中RAD1和RAD2的組合是探測(cè)太陽(yáng)射電Ⅲ型爆的主要設(shè)備，可得到帶寬為0.02～13.825 MHz的爆發(fā)動(dòng)態(tài)頻譜。

2）SWAVES

STEREO于2006年10月26日發(fā)射，有A、B兩個(gè)幾乎一樣的太陽(yáng)探測(cè)器，大致位于地球繞日軌道，其中A星向地球前方飛行，繞日軌道周期為347 d，星?日?地夾角每年增加21.650°；B星向地球后方飛行，繞日軌道周期為387 d，星?日?地夾角每年退行21.999°。2011年2月6日，A、B兩星與太陽(yáng)正好位于180°連線上。2015年，兩個(gè)探測(cè)器均到達(dá)太陽(yáng)的背面，并在幾個(gè)月時(shí)間里與地面失去聯(lián)系，到2016年8月21日重新與地面取得聯(lián)系。2023年左右，它們將重新回到近地軌道附近。STEREO提供了距離太陽(yáng)大約1 AU、從空間不同視角對(duì)太陽(yáng)爆發(fā)過程同時(shí)觀測(cè)的機(jī)會(huì)。

STEREO攜帶的探測(cè)日地空間低頻射電爆發(fā)的低頻射電頻譜儀SWAVES，可在SVLF頻段對(duì)太陽(yáng)活動(dòng)進(jìn)行追蹤觀測(cè)。SWAVES的天線系統(tǒng)為互相垂直的3個(gè)單極子天線，長(zhǎng)度均為6 m，每根天線質(zhì)量為1 kg，相關(guān)附屬硬件0.3 kg。SWAVES主要包括如下4個(gè)射電接收裝置：

（1）LFR Lo頻譜儀：工作頻率為10～40 kHz。

（2）LFR Hi頻譜儀：工作頻率為40～160 kHz。

（3）HFR頻譜儀：工作頻率為0.125～16.075 MHz，頻率分辨率為0.05 MHz。

（4）FFR1：工作頻率為50 MHz，為單頻流量計(jì)。

LFR Lo、LFR Hi和HFR組合在一起可以得到頻率范圍為0.01～16.075 MHz的太陽(yáng)射電Ⅲ型爆的動(dòng)態(tài)信息。

簡(jiǎn)單歸納一下，迄今為止國(guó)際上所有空間甚低頻射電探測(cè)設(shè)備的探測(cè)頻率基本上都工作在頻率16 MHz以下，在16～30 MHz頻段還缺乏有效的探測(cè)手段；另外，現(xiàn)有探測(cè)設(shè)備在頻譜分辨率、時(shí)間分辨率和靈敏度等方面也尚不盡人意，尚待提高。

2018年5月，我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射了“嫦娥四號(hào)”中繼星，該星搭載了由中國(guó)和荷蘭科學(xué)家合作研制的甚長(zhǎng)波射電探測(cè)器NCLE，能夠在月球背面對(duì)太陽(yáng)及其它天體在0.1～80 MHz的射電輻射進(jìn)行高頻譜分辨率的探測(cè)，預(yù)計(jì)將在太陽(yáng)射電Ⅲ型爆的探測(cè)方面發(fā)揮重要作用。

2 太陽(yáng)射電Ⅲ型爆低頻觀測(cè)和研究的主要進(jìn)展

太陽(yáng)射電Ⅲ型爆是一種常見的快速射電爆發(fā)形式，在太陽(yáng)耀斑、CME等劇烈太陽(yáng)活動(dòng)過程中常常成群出現(xiàn)。每一群一般包含幾個(gè)到幾十個(gè)單個(gè)Ⅲ型爆。在太陽(yáng)活動(dòng)中等強(qiáng)度的年份，每年可觀測(cè)到成千上萬(wàn)次射電Ⅲ型爆。它們有時(shí)出現(xiàn)在耀斑開始時(shí)刻，有時(shí)出現(xiàn)在耀斑的峰值期間，有時(shí)也出現(xiàn)在耀斑后相中。同太陽(yáng)耀斑有關(guān)的射電Ⅲ型爆有時(shí)還會(huì)周期性地出現(xiàn)，呈準(zhǔn)周期性脈動(dòng)（Quasi-Periodic Pulsation，QPP）特征，顯示非熱高能粒子的產(chǎn)生，或者粒子加速過程可能也具有準(zhǔn)周期性發(fā)生的特點(diǎn)[21]。

太陽(yáng)射電Ⅲ型爆的顯著特征是快速的頻率漂移。在低頻段，太陽(yáng)射電Ⅲ型爆的頻漂率均為負(fù)，即爆發(fā)從高頻迅速向低頻漂移，頻漂率也隨頻率的減小而降低。人們利用大量觀測(cè)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)在550 MHz～74 kHz頻段，頻漂率與頻率之間近似滿足下列擬合關(guān)系[22]

從反轉(zhuǎn)頻率往高頻方向漂移的射電Ⅲ型爆，頻漂率為正，稱為反向Ⅲ型爆，反映了高能粒子離開加速源區(qū)后向太陽(yáng)表面的飛行過程；與此相反，從反轉(zhuǎn)頻率向低頻漂移的射電Ⅲ型爆的頻漂率為負(fù)，通常稱為正常Ⅲ型爆，反映了高能粒子離開加速源區(qū)后向遠(yuǎn)離太陽(yáng)的行星際空間飛行的過程。式（1）僅給出了正常Ⅲ型爆頻漂率的擬合規(guī)律。空間甚低頻段的射電Ⅲ型爆通常也都屬于正常Ⅲ型爆。

利用WIND/WAVES、SWAVES等空間低頻?甚低頻射電探測(cè)器，人們?cè)谠擃l段的射電Ⅲ型爆的研究方面已經(jīng)取得了大量非常重要的研究[26]。圖1是一例由SWAVES于2009年7月18日觀測(cè)到的太陽(yáng)射電Ⅲ型爆事件[27]。在該事件中，射電Ⅲ型爆從頻率16 MHz一直向低頻段延續(xù)到大約26 kHz附近，總持續(xù)時(shí)間超過2 h。在16 MHz附近，爆發(fā)的持續(xù)時(shí)間不足1 min，在1 MHz附近，持續(xù)時(shí)間為2～3 min，在100 kHz附近，爆發(fā)的持續(xù)時(shí)間則接近半0.5 h之久。與此相對(duì)比，在米波段的射電Ⅲ型爆的持續(xù)時(shí)間通常只有幾s，而在厘米–分米波段的射電Ⅲ型爆，有時(shí)其持續(xù)時(shí)間甚至不到100 ms[28]。

圖1 SWAVES觀測(cè)到的一例射電III型爆事件[27]Fig. 1 A solar radio type III burst observed by SWAVES[27]

利用地面太陽(yáng)射電望遠(yuǎn)鏡和空間太陽(yáng)射電探測(cè)器的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行組合，可以得到從分米波直到千米波以下射電Ⅲ型爆的超寬帶頻譜圖。圖2是利用瑞士Phoenix 4射電頻譜儀（200～900 MHz）、法國(guó)Nancay 10米波射電頻譜儀（14～80 MHz）和空間WIND/WAVES射電探測(cè)器（0.02～14.0 MHz）等包括地基和空間望遠(yuǎn)鏡在內(nèi)共同獲得的2014年2月16日一個(gè)超寬帶射電Ⅲ型爆事件[29]。該事件中覆蓋了從分米波一直延伸到波長(zhǎng)為10 km的超長(zhǎng)波段。

輻射頻率在幾百M(fèi)Hz米波段到1 GHz左右的分米波段的射電Ⅲ型爆輻射源區(qū)非?？拷Ｗ蛹铀僭磪^(qū)，即低日冕的太陽(yáng)耀斑源區(qū)附近，距離太陽(yáng)光球表面大約只有0.01～0.1倍太陽(yáng)半徑左右。但是，波長(zhǎng)為幾千米到十幾千米的超長(zhǎng)波（頻率 ＜ 0.1 MHz）射電Ⅲ型爆，它們的輻射源區(qū)則非?？拷厍蜍壍栏浇?，與太陽(yáng)耀斑的爆發(fā)源區(qū)大約距離200倍太陽(yáng)半徑以上。圖2中的頻譜結(jié)構(gòu)表明，在不同頻段的Ⅲ型爆在如此巨大的空間跨度上實(shí)際上是同一個(gè)連續(xù)的過程，即它們很可能直接反映了同一束非熱高能粒子流在日冕和行星際空間高速飛行的軌跡。

圖2 Phoenix 4射電頻譜儀、Nancay 10米波射電頻譜儀和WIND/WAVES射電探測(cè)器在2014年2月16日獲得的一例超寬帶射電III型爆的綜合頻譜圖[29]Fig. 2 A synoptic spectrogram of a type III radio burst with super-wide frequency band observed be Phoenix 4 decimeter spectrometer，Nancay decameter array and WIND/WAVES on 2014 February 14[29]

在關(guān)于太陽(yáng)射電Ⅲ型爆的源區(qū)研究方面，人們利用靠近SVLF頻段的地面低頻射電成像望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)射電Ⅲ型爆的源區(qū)距離太陽(yáng)表面的高度隨頻率的降低而逐漸增加，源區(qū)的尺寸也隨頻率的減小而逐漸增加。例如，同一個(gè)Ⅲ型爆的從169 MHz變化到43 MHz時(shí)，其源的大小則從大約5'而逐漸增加到20'。圖3給出了人們利用歐洲LOFAR低頻射電陣觀測(cè)得到的頻率為30～90 MHz的Ⅲ型爆群的頻譜結(jié)果和其中一個(gè)III爆的源區(qū)圖像，可以看出，Ⅲ型爆源從50～55 MHz演變到30～35 MHz時(shí)，其源區(qū)位置逐漸從太陽(yáng)表面附近增加到大約3倍太陽(yáng)半徑處，源區(qū)尺寸也從不到0.5倍太陽(yáng)半徑（16'）逐漸增加到1.0倍太陽(yáng)半徑以上[30]。

圖3 LOFAR陣列對(duì)低頻太陽(yáng)射電III型爆的觀測(cè)[30]Fig. 3 Observations of a low frequency type III radio burst by LOFAR[30]

根據(jù)上述低頻射電的成像觀測(cè)結(jié)果，似乎可以外推，在SVLF頻段的射電Ⅲ型爆的源區(qū)尺寸很可能會(huì)超過一個(gè)太陽(yáng)直徑以上。在行星際空間，比如輻射頻率在1 MHz附近的射電Ⅲ型爆，其源區(qū)尺寸甚至可能達(dá)到數(shù)倍太陽(yáng)直徑大小，其角徑可能達(dá)到1°甚至幾度的數(shù)量級(jí)。

射電Ⅲ型爆源區(qū)的空間尺度隨頻率的減小而逐漸增加的主要原因是射電波輻射受行星際空間介質(zhì)（InterPlanetary Medium，IPM）的散射效應(yīng)，對(duì)于一個(gè)遙遠(yuǎn)的點(diǎn)源發(fā)射的射電信號(hào)，在經(jīng)過行星際介質(zhì)的散射后，其角徑（ θIPM）將被擴(kuò)大，成為一個(gè)有一定展寬的彌散面源，面源的大小近似為

例如，在頻率為100 MHz時(shí)，一個(gè)點(diǎn)源將被散射成一個(gè)角徑大約為0.6″大小的面源；而在30 MHz時(shí)，該點(diǎn)源則變成一個(gè)大約為7″的面源，在1 MHz處則成了一個(gè)角徑為100′（即1.6°）大小的彌散面源。這對(duì)望遠(yuǎn)鏡的空間分辨率提出了一個(gè)限制。例如，在觀測(cè)頻率為1 MHz處望遠(yuǎn)鏡是無(wú)法區(qū)分小于1.6°的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)的。

3 太陽(yáng)射電Ⅲ型爆低頻觀測(cè)研究存在的主要問題

雖然人們?cè)诳臻g甚低頻波段對(duì)太陽(yáng)射電Ⅲ型爆開展了大量觀測(cè)研究，已經(jīng)取得了許多非常重要的成果，但也還存在許多問題尚待解決。

首先，空間甚低頻的射電Ⅲ型爆是否存在內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu)呢？最近，陳星瑤等[31]利用LOFAR在高靈敏度的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，在30～80 MHz之間的射電Ⅲ型爆內(nèi)部還存在非常復(fù)雜的精細(xì)結(jié)構(gòu)（如圖4所示），它們似乎受到行星際空間太陽(yáng)風(fēng)湍流的調(diào)制，它們的精細(xì)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的空間尺度的分布非常接近于一個(gè)Kolmogorov形式的湍流譜，譜指數(shù)接近?5/3。那么，在30 MHz以下的空間甚低頻段的射電Ⅲ型爆是否也擁有類似的內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)呢？這些精細(xì)結(jié)構(gòu)的分布律是否也是湍流譜呢？

圖4 LOFAR觀測(cè)低頻太陽(yáng)射電III型爆的精細(xì)結(jié)構(gòu)，顯示被行星際空間湍流調(diào)制的特征[31]Fig. 4 The fine structures of low frequency Type III radio burst observed by LOFAR，which shows the modulation by interplanetary turbulence[31]

其次，前面已經(jīng)提到，射電Ⅲ型爆的反轉(zhuǎn)頻率通常都出現(xiàn)在厘米?分米波段，在空間甚低頻段出現(xiàn)的射電Ⅲ型爆都屬于正常Ⅲ型爆。但是，空間甚低頻段覆蓋了從10米波到十千米波長(zhǎng)3個(gè)數(shù)量級(jí)范圍，其對(duì)應(yīng)的源區(qū)則覆蓋了從太陽(yáng)表面以上大約3倍太陽(yáng)半徑的近地軌道附近大約200倍太陽(yáng)半徑的巨大行星際空間。非熱高能粒子流在如此巨大的行星際空間中飛行過程中是否會(huì)受到其它因素的作用和影響呢？比如，在行星際空間是否還存在其它形式的加速過程呢？如果存在某種行星際空間的加速機(jī)制，那么就有可能在空間甚低頻段發(fā)現(xiàn)具有反轉(zhuǎn)頻率特點(diǎn)的射電Ⅲ型爆對(duì)。通過對(duì)這種空間甚低頻段射電Ⅲ型爆對(duì)的研究，將進(jìn)一步找到行星際空間的重要物理過程，這對(duì)研究空間物理和空間天氣都是非常有意義的。

對(duì)上述問題的解答，要求必須擁有具有較高頻率分辨率和時(shí)間分辨率的空間甚低頻射電寬帶頻譜儀，能夠分辨識(shí)別空間甚低頻射電Ⅲ型爆的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征。那么，這里又面臨一個(gè)新的問題：在空間甚低頻段的太陽(yáng)射電觀測(cè)的分辨率該取多少為合適呢？如果頻率分辨率和時(shí)間分辨率選得過高，勢(shì)必會(huì)降低望遠(yuǎn)鏡的靈敏度；如果分辨率選得過低，又有可能無(wú)法分辨識(shí)別射電Ⅲ型爆的內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)。到目前為止，還無(wú)法給出一個(gè)來(lái)自觀測(cè)的依據(jù)說(shuō)明探測(cè)器的分辨率應(yīng)當(dāng)取多少合適，只能借助厘米波?米波段的射電頻譜精細(xì)結(jié)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)外推?？紤]到各頻段射電尖峰爆發(fā)都是已知最小尺度的太陽(yáng)射電爆發(fā)過程，很可能對(duì)應(yīng)于太陽(yáng)爆發(fā)中的元過程，即最小尺度的粒子加速和能量釋放過程，譚寶林等[32]最近收集了大量來(lái)自國(guó)內(nèi)外從厘米波到米波段的尖峰爆發(fā)觀測(cè)事例并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)尖峰爆發(fā)的頻率帶寬大約為中心頻率的1%，其平均壽命則隨頻率的降低而逐漸增加。如果把這一規(guī)律外推到空間甚低頻段的射電Ⅲ型爆的內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)上來(lái)，那么，要識(shí)別這種精細(xì)結(jié)構(gòu)所需要的頻率分辨率至少需要達(dá)到觀測(cè)頻率的0.3%，其時(shí)間分辨率則需要至少達(dá)到單個(gè)尖峰的平均壽命的1/3。照此計(jì)算，則在頻率為10～30 MHz之間，頻率分辨率需要達(dá)到70 kHz，時(shí)間分辨率需要達(dá)到1 s左右；在3～10 MHz之間，頻率分辨率需要20 kHz，時(shí)間分辨率則需要2 s左右；以此類推。

空間甚低頻射電觀測(cè)還常常面臨大量來(lái)自地面各種人工信號(hào)干擾的問題，即使在數(shù)萬(wàn)千米高度的地球靜止同步軌道上，這種干擾信號(hào)都非常強(qiáng)烈。因此，人們很自然地將目光投向了月球背面和遠(yuǎn)離地球的拉格朗日點(diǎn)，比如L3、L4和L5點(diǎn)等[33-34]。不過，這對(duì)遠(yuǎn)距離探測(cè)器的定位和測(cè)控、數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷继岢隽藰O高的要求。

4 結(jié) 論

空間甚低頻太陽(yáng)射電Ⅲ型爆是來(lái)自太陽(yáng)爆發(fā)產(chǎn)生的非熱高能粒子流在高日冕和行星際空間高速飛行過程的信號(hào)。通過對(duì)這種信號(hào)的探測(cè)和研究，可以直接追蹤太陽(yáng)高能粒子在行星際空間飛行時(shí)的演變過程，并了解行星際空間的各種擾動(dòng)機(jī)制，還可以探知太陽(yáng)活動(dòng)對(duì)近地空間粒子環(huán)境的作用和影響。這種了解和把握對(duì)于當(dāng)今各種航空、航天、衛(wèi)星通訊與導(dǎo)航等高技術(shù)系統(tǒng)的運(yùn)行都具有不可替代的作用。人們?cè)诳臻g甚低頻波段對(duì)太陽(yáng)射電Ⅲ型爆開展了大量的觀測(cè)研究，已經(jīng)取得了許多非常重要的成果，同時(shí)也還存在許多亟待解決的問題。這些尚待解決的問題包括需要進(jìn)一步提高探測(cè)器的頻率帶寬、頻率分辨率、時(shí)間分辨率，從而實(shí)現(xiàn)在整個(gè)空間甚低頻段觀測(cè)到射電Ⅲ型爆的內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)。“嫦娥四號(hào)”中繼星上搭載的中荷月基長(zhǎng)波射電探測(cè)器NCLE，預(yù)計(jì)獲得頻率在0.1～80 MHz范圍的太陽(yáng)射電Ⅲ型爆的超寬帶頻譜觀測(cè)數(shù)據(jù)，并能從中反演出比以往更為豐富的有關(guān)該頻段射電Ⅲ型爆的頻譜精細(xì)結(jié)構(gòu)背后的物理信息，為更好地開展空間天氣事件的預(yù)報(bào)提供更為可靠的依據(jù)。而在空間甚低頻段的成像觀測(cè)方面，目前在國(guó)際上尚屬空白，我們完全有理由相信，角徑達(dá)到幾度的太陽(yáng)SVLF射電Ⅲ型爆的源區(qū)不太可能是均勻的，一定存在內(nèi)部結(jié)構(gòu)。對(duì)這種結(jié)構(gòu)特征的探測(cè)和研究，將會(huì)給出許多關(guān)于行星際空間物理過程的細(xì)節(jié)。